Sekilas Tentang Pemercepat Partikel (Particle Accelerator)

Pada tahun 1933, ilmuwan mengidentifikasi adanya sinar kosmik, suatu sumber partikel berenergi tinggi yang berasal dari angkasa luar. Ketika partikel berenergi tinggi (proton) dari ruang angkasa ini menumbuk atom timah (tepatnya inti dari atomnya), banyak partikel-partikel yang lebih kecil berhamburan keluar. Partikel-partikel ini bukan proton atau neutron, tetapi yang lebih kecil dari itu. karena itu ilmuwan mangambil kesimpulan bahwa nukelus pasti tersusun atas partikel yang lebih kecil. pencarian pun dimulai bagi partikel-partikel ini. Pada saat itu, satu-satunya cara untuk menumbukkan partikel berenergi tinggi dengan atom adalah dengan pergi menuju puncak gunung dimana radiasi kosmik lebih mudah didapat.

Namun kemudian ilmuwan menciptakan sebuah divais yang dapat mempercepat partikel hingga mencapai kecepatan yang sangat tinggi--energi kinetik yang tinggi-- untuk kemudian menumbukkannya ke atom target. Hasil dari tumbukan tersebut kemudian dideteksi dan dianalisa. Informasinya memberitahu kita partikel-partikel yang menyusun atom dan gaya-gaya yang mengikatnya.

Kita dapat menemukan akselerator partikel di dalam TV CRT, di dalam sana CRT menangkap partikel (elektron) dari katoda, kemudian mempercepatnya dan kemudian dirubah arahnya oleh elektromagnet di dalam ruang hampa (vacuum) untuk kemudian menghantamkannya ke molekul-molekul fosfor pada layar. hasil tumbukan ini berupa titik-titik cahaya atau pixel di TV anda.

Sebuah partikel akselerator bekerja dengan cara yang sama dengan CRT, kecuali ukurannya yang jauh lebih besar, partikel dipercepat dengan kecepatan yang juga lebih besar (mendekati kecepatan cahaya) dan hasil tumbukannya berupa partikel yang lebih subatomik dan bermacam-macam jenis dari radiasi nuklir. pertikel dipercepat oleh gelombang elektromagnetik di dalam divais, dapat diibaratkan seperti peselancar yang terdorong sepanjang gelombang laut. Semakin berenergi partikel, semakin baik kita dapat melihat struktur materi. Sama halnya seperti ketika bola billiard yang didorong dengan stik. ketika bola billiard (partikel berenergi) dinaikkan kecepatannya, bola akan menerima energi lebih sehingga dapat lebih baik dalam menciptakan hamburan bola-bola di meja billiard (membebaskan lebih banyak partikel).
Akselerator partikel terbagi menjadi dua buah tipe dasar:
1. Linier (Linacs)- partikel melaju dalam track yang panjang dan lurus kemudian bertumbukan dengan target.
2. Melingkar (Cyclotron) - partikel melaju sepanjang jalur melingkar sampai mereka bertumbukan dengan target.

Linear accelerator (linac)

Pada akselerator linier, pertikel melaju dalam ruang terowongan tembaga hampa udara. elektron-elektron mengendarai gelombang yang diciptakan oleh pambangkit gelombang yang disebut klystron. Elektromagnet menjaga agar partikel tetap berada pada sorotan yang sempit( tidak menyebar). Ketika sorotan partikel menumbuk target di akhir terowongan, bermacam-macam detektor mencatat kejadian-kejadian yang terjadi--partikel subatomik dan radiasi yang dilepaskan. Akselerator jenis ini ukurannya sangat besar dan diletakkan di bawah tanah. Contoh dari akselerator jenis ini adalah Linacs di Stanford Linear Accelerator Laboratory (SLAC) di california, yang panjangnya 1,8 mil (3 km).
Stanford Linear Accelerator Laboratory (SLAC) tampak dari udara, laboratorium ini terletak di bawah tanah dalam gambar ditandai dengan garis putih

Cyclotron

Cyclotron merupakan akselerator partikel yang sering digunakan untuk memproduksi radioisotope untuk PET (Positron Emission Tomography), suatu alat pencitraan medis yang memanfaatkan postiron (anti elektron) untuk menghasilkan citra bagian dalam tubuh manusia. Akselerator melingkar melakukan kerja yang sama dengan yang dilakukan linacs (Linear Accelerator). Namun, alih-alih menggunakan track yang lurus, akselerator melingkar mendorong partikel-partikel sepanjang track yang melingkar berkali-kali. Pada tiap jalur, medan magnetik diperkuat sehingga partikel beam akan dipercepat secara berurutan. Ketika partikel telah mencapai energi tertinggi atau yang diinginkan, sebuah target diletakkan pada garis edar dari sorotan partikel (particle beam) atau di dekat detektor-detektor. Akselerator jenis ini merupakan jenis akselerator pertama yang ditemukan pada tahun 1929 dan memiliki ukuran diameter 4 inci atau 10 cm. Cyclotron lawrence yang merupakan akslerator partikel pertama menggunakan dua buah magnet berbentuk D yang dipisahkan oleh ruang yang sempit. Tegangan AC berfrekuensi tinggi menciptakan sebuah medan listrik melintasi ruang sempit diantara dua elektroda berbentuk huruf D (biasa disebut Dee), energy akan terus ditambahkan tiap kali partikel melewati gap antar dee sehingga partikel akan dipercepat dan massanya akan bertambah sebagai akibat dari kecepatan partikel yang mendekati kecepatan cahaya. Dengan semakin cepatnya partikel melaju, jari-jari garis edarnya akan semakin melebar sampai mereka menumbuk target yang terletak di bagian terluar lingkaran. Cyclotron jenis ini terbukti efektif tetapi tidak akan dapat mencapai tingkat energi yang dicapai cyclotron moderen.

Akselerator melingkar yang modern menempatkan klytrons dan elektromagnet di sekeliling terowongan tembaga untuk mempercepat partikel. Beberapa akselerator melingkar juga dilengkapi dengan linac yang pendek untuk mempercepat partikel pada permulaan sebelum memasuki cincin. Contoh akselerator melingkar adalam fermilab yang membentang seluas 10 mil persegi (25,6 km persegi).

                                                Fermi National Accelerator Lab. (FermiLab)

Trapping Light and Saving It for Later (Prof. Lene V. Hau stopping the light)

Emisi terstimulasi atau terimbas adalah salah satu cara foton dihasilkan. Foton yang dihasilkan dari proses emisi terstimulasi berbeda dengan foton yang dihasilkan dari proses emisi spontan, jika foton yang dipancarkan oleh emisi spontan cenderung random atau acak, maka tidak demikian dengan radiasi foton yang diradiasikan pada emisi terstimulasi yang cenderung sefase dan memiliki arah yang sama, polarisasi yang sama dan energy yang sama.

Dalam emisi terstimulasi, foton yang datang akan menstimulasi/memicu terjadinya emisi foton lain dengan cara mengimbas electron pada tingkat energy yang lebih tinggi (E2) untuk “jatuh” menuju tingkat energy yang lebih rendah (E1). Kita mengetahui bersama bahwa foton sesungguhnya merupakan gelombang elektromagnetik, pada saat proses emisi terstimulasi medan listrik dari foton datang akan menggandeng (coupling) electron pada E2 dan karena itu akan mampu mengendalikan/menggerakkan/mendorong-nya dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi foton. Osilasi paksa yang diberikan oleh medan listrik foton pada elektron pada frekuensi f=(E2-E1)/h menyebabkan electron mengemisikan radiasi gelombang elektromagnetik yang medan listriknya sefase dengan foton yang mestimulasinya (mudahnya electron di sini menyamakan frekuensi dengan frekuensi medan listrik dari foton datang). Ketika foton datang tadi meninggalkan tempat terjadinya emisi terstimulasi, electron akan kembali pada tingkat energy E1 karenan telah mengemisikan foton dengan energy hf=(E2-E1) .

                                                              Gambar 1. Emisi terstimulasi

Emisi terstimulasi menjadi dasar untuk mendapatkan penguatan foton karena dalam proses ini sebuah foton datang akan menghasilkan dua foton keluaran dengan fase yang sama. Agar terjadi emisi terstimulasi, foton datang tidak boleh diabsorpsi oleh atom lain di tingkat energi E1. Pada LASER, penguatan foton terjadi tidak dengan sebuah electron/atom tetapi dengan kumpulan atom yang berada pada tingkat energy tinggi E2. Kondisi ini (mayoritas atom berada pada tingkat energy tinggi E2) harus tercapai agar foton datang tidak terserap oleh atom pada tingkat energy rendah E1. Kondisi dimana jumlah atom pada tingkat energy E2 lebih besar daripada jumlah atom di tingkat energy E1 disebut kondisi inverse populasi (population inversion). Harus diketahui juga bahwa kita tidak akan bisa mencapai kondisi inversi populasi dengan hanya dua tingkatan energy karena dalam keadaan tunak (steady state) aliran foton datang akan menyebabkan eksitasi ke atas dan emisi spontan kebawah dengan jumlah sama banyak. Pada sistem tiga tingkat energy, salah satu tingkat energy tepatnya tingkat energy paling tinggi E3, jika terdapat atom-atom padanya maka atom-atom tersebut akan dengan cepat meluruh/ mengalami proses deeksitasi menuju tingkat energy tengah E2. Pada tingkat energy E2, atom-atom akan bertahan lebih lama di tingkat energy ini sehingga menyababkan terjadinya inverse populasi (keadaan ini biasa disebut keadaan metastabil). Jika salah satu atom pada tingkat energy E2 mengalami emisi spontan dan mengemisikan foton, maka foton ini dapat menjadi pemicu atom-atom lain untuk mengalami deeksitasi menuju tingkat energy E1 melalui proses emisi terstimulasi.
Gambar 2. Emisi Terstimulsi pada tiga tingkat energi dan inversi populasi yang terjadi pada                                kedaan metastabil  

Gambar 3. Laser Helium-Neon, salah satu Laser dengan tiga tingkat energi

When I'm Hurted

"When I'm hurted, GOD is trying to heal my wound and weakness" Me said

"Fix and change yourself" GOD said

March 20 2009, 02.25 a.m

When I See The Night Sky

when I see the night sky...

I see the shinning moon and glittering stars surrounded by all dark thing...

I see many misterious things are exist...

The darkness keep the secret need to be revealed...

Many people are trying to reveal the the mysteries behind the darkness of night sky....

The ancient Egyptian, the greek philosophers, Galileo, Newton, Einstein, Hawking and many more...

They're all trying hard to crack the mysteries cloaking the night sky...

With their great curiosity, great mind and great imagination...

Other are trying to reach the night sky with their sophisticated technology, the heavy weight rocket, the space suttle and the huge telescope...

And till now on....

we, the mankind are still trying...

and never say satisfied...

till the truth revealed

Sifat Listrik dan Optik Bahan Semikonduktor

Semikonduktor adalah suatu material yang memiliki sifat konduktivitas listrik diantara konduktor dan isolator. Semikonduktor murni atau biasa disebut semikonduktor intrinsic adalah material semikonduktor dimana tiap-tiap atomnya berikatan kovalen satu sama lain membentuk suatu struktur kristal yang biasa disebut lattice, semikonduktor intrinsic memiliki sifat yang mendekati sebuah material isolator, dimana, pita valensi dan pita konduksinya terpisahkan oleh gap energi yang kecil. Untuk merubah jumlah pembawa muatan, semikonduktor intrinsic harus diberi pengotor atau impurities. Pengotor akan menciptakan sebuah tingkatan energi diantara pita valensi dan pita konduksi. Semikonduktor tipe-n adalah semikonduktor dengan kelebihan muatan negative, pada silicon, penambahan atom dengan lima electron valensi (seperti phosphor) akan meciptakan tingkat energy baru dengan posisi sedikit di bawah pita konduksi yang dinamakan tingkatan donor. Tambahan electron dari phosphor akan menempati tingkat energy baru ini dan dengan hanya sedikit saja jumlah energy akan menaikkan electron ini ke pita konduksi sehingga akan menambah jumlah pembawa muatan negative. Semikonduktor tipe-p adalah semikonduktor dengan dengan kelebihan pembawa muatan positif, pada silicon, penambahan atom dengan tiga electron valensi akan menciptakan tingkat enegi baru dengan posisi sedikit di atas pita valensi yang dinamakan tingkatan akseptor. Electron pada pita valensi akan berpindah ke tingkat energy ini sehingga menciptakan lubang atau hole pada pita valensi dan akan menambah jumlah pembawa muatan positif. Jika semikonduktor tipe-p dan tipe-n digabungkan maka pada sembungan akan terjadi proses difusi akibat ketidak seimbangan muatan diantara kedua material semikonduktor, semua hole pada sambungan akan terisi oleh electron sehingga tidak ada lagi electron bebas. Difusi ini menyebabkan terbentuknya lapisan pengosongan atau deplesi, pada lapisan ini semikonduktor kembali pada sifat isolatornya. Jika ujung tipe-n disambungkan dengan kutub negative suatu tegangan dan tipe-p disambungkan dengan kutub positif tegangan, maka electron pada lapisan deplesi akan terdorong keluar dari hole dan kembali menjadi elekron bebas sedangkan hole yang ditinggalkannya akan terisi kembali oleh electron (terjadi rekombinasi) dari tipe-n begitu seterusnya.

Gambar 1. Rekombinasi electron hole dan emisi foton pada junction

Terjadinya rekombinasi berarti electron dari tingkat energy yang lebih tinggi “jatuh” ke tingkat energy yang lebih rendah atau biasa disebut dengan deeksitasi. Rekombinasi electron-hole ini bisa bersifat radiatif (mengemisikan foton) dan non-radiatif bergantung pada struktur pita dari semikonduktor. Ada dua kemungkinan struktur pita dari semikonduktor yaitu pita energy langsung (direct bandgap) dan pita energy tak langsung (indirect bandgap). Silikon adalah material dengan struktur pita energi tidak langsung (indirect bandgap), di mana nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari pita valensi tidak bertemu pada satu harga momentum yang sama. Ini berarti agar terjadi eksitasi dan rekombinasi dari pembawa muatan diperlukan perubahan yang besar pada nilai momentumnya atau dapat dikatakan dibutuhkan bantuan sebuah partikel dengan momentum yang cukup (seperti phonon) untuk mengkonservasi momentum pada semua proses transisi. Dengan kata lain, silikon sulit memancarkan cahaya. Sifat ini menyebabkan silikon tidak layak digunakan sebagai piranti fotonik/optoelektronik. GaAs adalah material semikonduktor dengan struktur pita energy langsung (direct bandgap), dimana, nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari pita valensi bertemu pada satu harga momentum yang sama. Pada material ini electron bebas pada minimum pita konduksi dapat melakukan rekombinasi dengan hole di maksimum pita valensi, karena momentum dari kedua “partikel” sama, maka, foton dapat diemisikan sebagai konsekuensi dari hokum konservasi energy.

Gambar 2. Struktur pita direct bandgap (kiri) dan indirect bandgap (kanan)

Undergoing MyBlogLog Verification